Устройство обнаружения излучения

Предложенное изобретение относится к устройствам для обнаружения гамма-излучения с чрезвычайно высокой временной разрешающей способностью. Целью данного изобретения является разработка сцинтилляционного кристалла, имеющего компоненту флуоресценции с высокой эффективностью эмиссии света и небольшим (коротким) временем затухания и обладающего длиной волны испускаемого света, находящейся в видимой области спектра или очень близкой к ней, и создание устройства обнаружения излучения с его использованием, обладающего отличной временной разрешающей способностью. Устройство обнаружения излучения содержит кристалл хлорида бария (BaCl₂) в качестве сцинтиллятора и фотоумножитель для приема света из сцинтиллятора, при этом длина волны испускаемого сцинтиллятором света находится между 250 нм и 350 нм, и сцинтиллятор расположен в атмосфере низкой влажности. При этом сцинтиллятор может быть подвергнут охлаждению, а предложенное устройство может быть использовано для обнаружения гамма-излучения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству обнаружения излучения, в частности гамма-лучей, а конкретнее к устройству обнаружения гамма-лучей с чрезвычайно высокой временной разрешающей способностью.

Предшествующий уровень техники

Детекторы гамма-лучей обычного типа необязательно обеспечивают достаточную временную разрешающую способность, особенно в случае измерения времен жизни аннигилирующих позитронов (ВЖАП) по гамма-лучам от аннигиляции позитронов (0,511 МэВ). Для существующих областей применения временная разрешающая способность является очень важной. Например, улучшение временной разрешающей способности позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) при оказании медицинской помощи приводит к улучшению получаемой с помощью временных данных точности определения локализации позитронов. В результате сокращения времени измерения и снижения интенсивности источника излучения понижаются нагрузки на исследуемые объекты. Кроме того, поскольку измерения времени жизни аннигилирующих позитронов используют в материаловедении при обнаружении дефектов кристаллической решетки, то улучшение временной разрешающей способности приводит к улучшению чувствительности обнаружения.

Для улучшения временной разрешающей способности подобных детекторов гамма-лучей существенно важным является сцинтилляционный кристалл, компонента флуоресценции которого имеет меньшее время затухания, чем известно до сих пор. Однако многие сцинтилляционные кристаллы, реально используемые в настоящее время, представляют собой кристаллы с высокими квантовыми выходами люминесценции, но с большими константами скорости затухания флуоресценции порядка нескольких сотен наносекунд (например, NaI(Tl), CsI(Tl), ScI(Tl), CsI(Na), BGO, CdWO₄ и т.п.), или кристаллы с небольшими константами времени затухания порядка от нескольких наносекунд до 30 наносекунд, но с низкими квантовыми выходами люминесценции (например, CsF, CeF₃, CsI, органические сцинтилляторы и т.п.).

Из сцинтилляторов, применяемых на практике, только один фторид бария (BaF₂) обладает субнаносекундной константой времени затухания (600 пикосекунд) (смотри непатентную ссылку 1). Однако чрезвычайно короткая длина волны быстрой компоненты флуоресценции, 225 нм, создает большие трудности при использовании. Например, необходимо использование дорогих детекторов для ультрафиолетового излучения.

Была определена длительность флуоресценции BaCl₂ после облучения рентгеновскими лучами (смотри непатентную ссылку 2). Однако, так как в области обнаружения и измерения излучения требуется такой материал, который испускает свет с высокой скоростью и с высокой интенсивностью эмиссии света, а данный материал является гигроскопичным, что затрудняет его использование, исследования BaCl₂ в качестве сцинтилляционного материала почти не проводились.

С целью разработки оптимального сцинтиллятора авторы настоящего изобретения продолжили проведение исследования по поиску материала с высокой интенсивностью флуоресценции и небольшой константой времени затухания, который также излучает свет в видимой области спектра, делая возможным его использование в недорогих детекторах (непатентная ссылка 3, патентная ссылка 1 и заявка на патент Японии № 2003-106277).

Патентная ссылка 1: нерассмотренная заявка на патент Японии № 2003-215251.

Непатентная ссылка 1: M. Laval et al., Nuclear Instrumentation Method, 206 (1983) 169.

Непатентная ссылка 2: S.E.Derenzo et al., IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record 91CH3100-5, Vol.1, pp.143-147, 1991.

Непатентная ссылка 3: H.Saito et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A487 (2002) 612-617.

Задачи, решаемые изобретением

Целью настоящего изобретения является представление сцинтилляционного кристалла, имеющего компоненту флуоресценции с высокой эффективностью эмиссии света и небольшим (коротким) временем затухания и обладающего длиной волны испускаемого света, находящейся в видимой области спектра или очень близкой к ней, и создание устройства обнаружения излучения с его использованием, обладающего отличной временной разрешающей способностью.

Средства решения этих задач

В качестве сцинтилляционного кристалла используют хлорид бария (BaCl₂). А именно настоящее изобретение представляет собой устройство обнаружения излучения, содержащее кристалл хлорида бария (BaCl₂) в качестве сцинтиллятора и фотоумножитель для приема света от сцинтиллятора, при этом длина волны испускаемого сцинтиллятором света находится между 250 нм и 350 нм, и сцинтиллятор расположен в атмосфере низкой влажности. Предпочтительно, чтобы кристалл хлорида бария, используемый в качестве сцинтиллятора, подвергался охлаждению.

Краткое описание фигур

На фигуре 1 показаны положения измерительных устройств, используемых в примерах.

На фигуре 2 показаны результаты измерений в примере 1. По оси абсцисс отложен номер канала (время), а по оси ординат отложено число отсчетов.

На фигуре 3 показано сравнение времени нарастания скорости отклика для измеренного сигнала сцинтилляторов BaCl₂ и BaF₂.

На фигуре 4 показан режим охлаждения для измерений с использованием сцинтиллятора BaCl₂. Медный блок охлаждают с использованием жидкого азота, а для поддержания определенной температуры управляют нагревателем с помощью датчика температуры, прикрепленного поблизости от кристалла.

На фигуре 5 показаны результаты измерений в примере 3.

На фигуре 6 показаны результаты измерений в сравнительном примере 1.

Подробное описание изобретения

Вертикальный метод Бриджмена, с помощью которого могут быть получены большие монокристаллы, является подходящим способом производства сцинтилляционных кристаллов согласно настоящему изобретению. В данном способе высокий плавильный тигель, содержащий исходный материал для получения кристаллов, медленно опускают в вертикальную печь (печь роста кристаллов) с определенным градиентом температур, и расплавленной жидкости внутри плавильного тигля дают возможность затвердеть, начиная со дна, с получением кристаллов.

Хлорид бария (BaCl₂) хорошо растворим в воде (36 г/100 г Н₂О при 20°С), имеет температуру плавления в 962°С, относится к моноклинной системе и образует кубические кристаллы в результате фазового перехода при 923°С. Он, как правило, находится в форме дигидрата, но образует безводный материал при 121°С. Поэтому предпочтительны кристаллы с как можно меньшим содержанием влаги.

Так как кристаллы хлорида бария (BaCl₂) являются гигроскопичными, необходимо, чтобы данный сцинтиллятор был расположен в атмосфере низкой влажности. Для создания атмосферы низкой влажности кристалл может, например, быть помещен в герметизированное окружение и поддерживаться под вакуумом, или же герметизированное окружение может быть заполнено инертным газом, таким как азот, благородные газы и т.п., или инертный газ может быть пущен непрерывным потоком через это окружение. Кроме того, если измерение происходит в течение непродолжительного времени, поблизости может быть просто помещен осушитель.

При воздействии излучения, в частности гамма-лучей, кристаллы хлорида бария (BaCl₂) излучает свет с длиной волны вблизи 300 нм, а именно - от 250 до 350 нм. Для обнаружения (детектирования) этого излученного света используется фотоумножитель.

Фотоумножитель состоит из фотоэлектронной поверхности, которая преобразует свет в электроны, и усилителя, который усиливает электронный луч. Может быть использован фотоумножитель, содержащий микроканальную пластину (МКП). МКП является элементом, выполненным в виде стеклянной пластины, имеющей небольшие отверстия (каналы). Если к обеим поверхностям приложить напряжение (несколько киловольт), то налетающие электроны со стороны отрицательного потенциала сталкиваются со стенкой канала, и происходит усиление благодаря генерируемым вторичным электронам. Фотоумножитель, содержащий МКП, при применении подобного элемента может детектировать один единственный фотон и является фотоэлектронным умножителем с «высокоскоростным» (быстрым) временем отклика. Данный тип фотоумножителей, содержащих МКП, выпускается, например, фирмой Hamamatsu Photonics K.K. в виде моделей серий R3809 и R5916.

Интенсивность фотоэмиссии BaCl₂ увеличивается при охлаждении. Поэтому временная разрешающая способность при охлаждении кристаллов потенциально может улучшаться.

Высокоскоростная компонента фотоэмиссии BaCl₂ лежит вблизи длины волны в 300 нм. В сцинтилляторе BaF₂ длина волны быстрой компоненты фотоэмиссии является чрезвычайно короткой, 225 нм, и для окна фотоумножителя должно быть использовано дорогое УФ стекло или синтетический кварц. Однако, когда рассматриваемая длина волны составляет 300 нм, используемый материал может представлять собой более распространенное боросиликатное стекло. Кроме того, доступность материала фотоэлектронной поверхности с высокой чувствительностью в области 225 нм ограничена, однако на 300 нм могут быть использованы фотоумножители с бищелочным фотокатодом, обладающие высокой чувствительностью и низким темновым током, которые часто используются в ближней ультрафиолетовой-видимой областях. Таким образом, фотоумножители, которые могут быть использованы для BaCl₂, доступнее, чем таковые для BaF₂. Кроме того, BaCl₂ обладает достаточно небольшой константой времени затухания, даже если она и не столь мала по сравнению с BaF₂, и с его использованием потенциально может быть создано устройство обнаружения излучения с отличной временной разрешающей способностью.

Устройство обнаружения излучения согласно настоящему изобретению также может содержать, в дополнение к описанным выше кристаллу хлорида бария и фотоумножителю, другое подходящее для обнаружения излучения оборудование, связанное с данными узлами. Например, цифровой осциллограф может быть связан с кристаллом хлорида бария и фотоумножителем, содержащим МКП, или же это устройство может быть сконструировано так, что цифровой осциллограф приводится в действие с помощью внешней схемы запуска. Более того, для формирования обнаруженного сигнала может быть использовано общепринятое оборудование.

При традиционных измерениях времени излучения ранее использовали дискриминатор со следящим порогом (ДСП), время-амплитудный преобразователь (ВАП) и многоканальный анализатор (МКА) с использованием метода совпадений. Однако согласно настоящему изобретению описанные выше устройства заменили. То есть, поступающий из фотоумножителя сигнал запоминают и оцифровывают высокоскоростным цифровым осциллографом, и после передачи этой информации в персональный компьютер проводят временной дифференциальный анализ. В этом заключается способ, разработанный авторами настоящего изобретения (непатентная ссылка 1). При использовании способа возможно проведение измерений с чрезвычайно высокой разрешающей способностью по времени.

В качестве целевого объекта измерения для данного устройства обнаружения излучения предпочтительным является гамма-излучение при распаде позитрона. В качестве источника излучения, используемого при позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), могут быть указаны изотопы С-11, N-13, O-15 и F-18, а в качестве источника излучения, используемого при измерениях времени жизни позитрона, могут быть указаны изотопы Na-22, Ge-68 и т.п.

Настоящее изобретение иллюстрировано примерами, но данные примеры не предназначены ограничивать объем настоящего изобретения.

Пример получения 1

Кристалл хлорида бария (BaCl₂) получали согласно описанной ниже процедуре.

850 г BaCl₂ (производимого Aldrich, чистота 99,999%, соотношение компонентов Ba:Cl=1:2, кристаллическая структура кубической системы, удельная масса 3,096, показатель преломления 1,646) помещали в угольный плавильный тигель с внутренним диаметром 60 мм и помещали в печь. Для вакуумирования печи использовали роторный насос и масляный диффузионный насос (степень вакуумирования: ˜10^-5 Па). Печь нагревали с использованием нагревателя, и содержимое сушили при низкой температуре (120°С в течение 24 часов).

Данную печь нагревали до 970°С согласно программе повышения температуры и поддерживали в течение 24 часов. Плавильный тигель опускали на 105 мм со скоростью 0,3 мм/ч (примерно 350 часов). Затем печи давали возможность охладиться до комнатной температуры (96 часов), после чего материал извлекали, а затем формовали и полировали.

Для изготовления устройства обнаружения излучения полученный описанным выше образом кристалл BaCl₂ прикрепляли непосредственно к той поверхности фотоумножителя (Hamamatsu Photonics H3778), на которую попадает свет, с использованием силиконовой смазки. Для эффективного направления испускаемого света в фотоумножитель использовали алюминиевый отражающий лист, покрывающий кристалл BaCl₂. Кроме того, измерения занимают непродолжительное время, и поэтому рядом с BaCl₂ помещали осушитель.

Одновременно для сравнения было изготовлено подобное устройство обнаружения излучения с использованием фторида бария (Ohyoh Koken Kogyo K.K.) в качестве сцинтилляционного кристалла.

BaCl₂, используемый в качестве сцинтилляционного кристалла, представлял собой материал кубической формы со стороной квадрата 10 мм, а BaF₂ имел форму цилиндра 30 мм диаметром, 10 мм высотой.

Пример 1

В системе измерения, показанной на фигуре 1, в качестве сцинтилляционного кристалла в одном из устройств обнаружения излучения использовали кристалл хлорида бария (BaCl₂), а в другом использовали фторид бария.

Изотоп 68 Ge использовали в качестве источника излучения, и проводили измерения задержки во времени гамма-лучей при распаде позитрона (0,511 МэВ). Выходной сигнал из фотоумножителя разделяли на два компонента, причем один компонент подавали непосредственно в высокоскоростной цифровой осциллограф (LeCroy WavePro 7100), а другой подавали в анализатор высоты импульсов (амплитудный дискриминатор) и на схему совпадения, в то время как была приведена в действие схема запуска осциллографа. Данные измерений направляли в персональный компьютер и анализировали.

Результаты измерения задержки во времени гамма-лучей при распаде позитрона, полученные с использованием предложенного устройства, показаны на фигуре 2. Временная разрешающая способность (полная ширина на половине высоты кривой, ПШПМ) составляла 205 пс.

Пример 2

Сравнивали времена нарастания измеренных сигналов от сцинтилляторов BaCl₂ и BaF₂, используя результаты измерения из примера 1. Результаты показаны на фигуре 3.

Время нарастания для BaF₂ было разбросано между 900 и 1300 пс, а время нарастания для BaCl₂ было разбросано между 1000 пс и 1600 пс, т.е. слегка медленнее. Было показано, что BaCl₂ представляет собой сцинтилляционный кристалл с временными характеристиками отклика, приближающимися к таковым для BaF₂.

Пример 3

Сцинтиллятор BaCl₂ охлаждали, и при этом проводили измерения, аналогичные описанным в примере 1. На фигуре 4 показано расположение охлаждаемых кристаллов. Кристаллы BaCl₂ имели форму куба со стороной 10 мм, такую же самую, как и в примере 1. Силиконовую смазку использовали для прикрепления этого кристалла непосредственно к поверхности трубки фотоумножителя. Для охлаждения кристалла противоположную боковую поверхность приводили в контакт с медным блоком. В пространство между кристаллом и медным блоком так же вводили силиконовую смазку. Для минимизирования затухания входящего в кристалл гамма-излучения необходимо, чтобы области медного блока, находящиеся в контакте с кристаллом, были как можно более тонкими. В данном случае эта толщина составляла 0,5 мм. Кроме того, область, окружающая кристалл, для предотвращения конденсации влаги на кристалле находилась под вакуумом. Для измерений кристалл BaCl₂ охлаждали до -100°С. Результаты измерений показаны на фигуре 5. Из графика видно, что временная разрешающая способность улучшилась до 198 пс.

Сравнительный пример 1

Подобный эксперимент был проведен с использованием BaF₂ в качестве обоих сцинтилляторов с целью сравнения результатов с полученными в описанном выше примере 1. Оба сцинтиллятора BaF₂ представляли собой колонки диаметром 30 мм и толщиной 10 мм. Полученные результаты показаны на фигуре 6. Временная разрешающая способность, показанная на данном графике, составляла 174 пс.

При использовании сочетания сцинтиллятора BaCl₂ и цифрового осциллографа для проведения измерений задержки во времени согласно описанному выше может быть достигнута временная разрешающая способность, сравнимая с таковой для BaF₂, обладающего самой маленькой константой скорости затухания среди существующих и используемых сцинтилляторов. Таким образом, такое сочетание может быть выгодным образом использовано для измерения характеристик излучения, таких как времена жизни аннигилирующих позитронов и т.п., где необходима отличная временная разрешающая способность.

1. Устройство обнаружения излучения, содержащее кристалл хлорида бария (BaCl₂) в качестве сцинтиллятора и фотоумножитель для приема света из сцинтиллятора, при этом длина волны испускаемого сцинтиллятором света находится между 250 и 350 нм, и сцинтиллятор расположен в атмосфере низкой влажности.

2. Устройство обнаружения излучения по п.1, в котором кристалл хлорида бария в качестве сцинтиллятора подвергается охлаждению.

3. Устройство обнаружения излучения по п.1 или 2, причем это устройство используется для обнаружения гамма-лучей.